0引言

地坪研磨作為建筑地面處理的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié),其核心在于通過機械磨削作用改善基礎(chǔ)地面平整度與粗糙度[1]?，F(xiàn)有工業(yè)級地坪研磨設(shè)備普遍采用220 V交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制移動底盤,配合380 V變頻器驅(qū)動磨盤旋轉(zhuǎn)電機。這種傳統(tǒng)電氣架構(gòu)存在顯著局限性:設(shè)備運行完全依賴工業(yè)380 V電網(wǎng)供電,在轉(zhuǎn)場作業(yè)時需切斷電源,迫使產(chǎn)業(yè)工人采用人力推動方式完成設(shè)備遷移,既降低了施工效率,又增加了職業(yè)安全隱患。針對這一技術(shù)瓶頸,本研究提出一種新型續(xù)電系統(tǒng)設(shè)計方案,該方案既適用于傳統(tǒng)研磨設(shè)備的電氣系統(tǒng)升級改造,又能為智能化交流式移動底盤研磨機器人提供持續(xù)電力支持,具有重要的工程應用價值。

本研究涉及的核心技術(shù)創(chuàng)新已由廣東博智林機器人有限公司申請國家發(fā)明專利[2](申請公開號:CN119906129A),筆者為該專利發(fā)明團隊的核心成員。

1地坪研磨機技術(shù)特征與應用分析

1.1 地坪研磨機應用場景分析

地坪研磨機主要用于混凝土基面的研磨處理,其典型應用場景包括大型交通樞紐(如機場航站樓、高鐵站廳)、工業(yè)廠房、商業(yè)建筑地下停車場等對地面平整度要求較高的場所。這些場景通常具有作業(yè)面積大、施工質(zhì)量要求嚴格等特點。

1.2 地坪研磨機技術(shù)分類

根據(jù)自動化程度和技術(shù)特征,現(xiàn)代地坪研磨設(shè)備可分為兩大類型:

1)傳統(tǒng)手動研磨機:依賴人工操作或遠程遙控,需要操作人員全程參與作業(yè)過程。

2)智能自動研磨機:集成先進傳感與控制系統(tǒng),具備三維環(huán)境建模、自主路徑規(guī)劃、實時導航定位及動態(tài)避障等功能,代表行業(yè)技術(shù)發(fā)展方向。

1.3地坪研磨機核心組件系統(tǒng)分析

本文以工業(yè)領(lǐng)域廣泛應用的800型地坪研磨設(shè)備為研究對象,結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

其核心動力系統(tǒng)主要由以下關(guān)鍵部件構(gòu)成:

1)研磨執(zhí)行單元:采用直徑800mm(公差±10mm)的專用研磨盤。

2)主驅(qū)動系統(tǒng):配置額定功率15kw的三相異步電動機 (380V/50Hz),負責驅(qū)動研磨盤實現(xiàn)0~1 500 r/min無級變速旋轉(zhuǎn)。

3)行走驅(qū)動系統(tǒng):集成兩臺400 w單相交流伺服電機(220 V/50 Hz),通過精密減速機構(gòu)實現(xiàn)設(shè)備移動控制,定位精度可達± 1 mm。

在智能化升級版本中,系統(tǒng)還集成了以下關(guān)鍵智能組件:3D激光雷達、工業(yè)級嵌入式工控機、工業(yè)級千兆以太網(wǎng)路由器。

1.4地坪研磨機控制系統(tǒng)架構(gòu)分析

根據(jù)技術(shù)演進路徑,現(xiàn)代地坪研磨機的控制系統(tǒng)主要呈兩種典型架構(gòu)。

1.4.1傳統(tǒng)控制系統(tǒng)

采用基于小型可編程邏輯控制器(PLC)或ARM架構(gòu)微控制單元(MCU)的嵌入式控制系統(tǒng)。操作人員通過以下兩種方式實現(xiàn)設(shè)備控制:

1)本地控制:通過設(shè)備面板的機械式按鈕和電位器旋鈕進行參數(shù)調(diào)節(jié)。

2)遠程控制:采用工業(yè)級無線遙控器(工作頻段2.4 GHz)實現(xiàn)磨盤轉(zhuǎn)速(調(diào)節(jié)范圍0~1 500 r/min)和行走系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

1.4.2智能控制系統(tǒng)

基于X86架構(gòu)的工業(yè)控制計算機構(gòu)建分布式控制系統(tǒng),主要特征包括:

1)人機交互:通過移動終端(iOS/Android平臺)專用應用程序?qū)崿F(xiàn)遠程監(jiān)控,支持wi—Fi通信。

2)自主決策:集成實時操作系統(tǒng)(如ROS),實現(xiàn)作業(yè)參數(shù)智能優(yōu)化和異常工況自動處理。

3)數(shù)據(jù)管理:具備施工數(shù)據(jù)云端存儲與分析功能,支持PDF/Excel格式報告自動生成。

1.5 智能化地坪研磨機作業(yè)流程分析

智能化地坪研磨機的作業(yè)流程可分為環(huán)境建模、任務規(guī)劃與自動執(zhí)行三個階段。在工業(yè)廠房地面處理場景中,首先通過移動終端APP控制設(shè)備沿作業(yè)區(qū)域邊界執(zhí)行環(huán)境掃描,集成式3D激光雷達實時采集建筑結(jié)構(gòu)點云數(shù)據(jù)(包括立柱、墻體等特征物),經(jīng)SLAM算法處理生成高精度二維作業(yè)地圖。操作人員隨后在APP界面內(nèi)選定 目標作業(yè)區(qū)域、設(shè)定工藝參數(shù)、確認安全邊界。控制系統(tǒng)自動生成最優(yōu)加工路徑,經(jīng)確認后設(shè)備即進入自主作業(yè)模式。

該自動化方案相較傳統(tǒng)人工操作具有顯著優(yōu)勢:勞動強度降低,粉塵暴露風險下降,且由于恒定的研磨壓力與運動速度,成品地面平整度可達±1mm/2m。

2地坪研磨機供電系統(tǒng)技術(shù)要求

2.1傳統(tǒng)地坪研磨機供電系統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)手動地坪研磨機采用三相五線制供電方案(L1/L2/L3/N/PE),通過5芯耐磨電纜接入AC380 V工業(yè)電源。該供電系統(tǒng)實現(xiàn)三級電能轉(zhuǎn)換:首先,三相交流電直接驅(qū)動變頻器控制研磨電機;其次,通過L1-N相線獲取AC220 V單相電源,為伺服驅(qū)動系統(tǒng)提供工作電壓;最后,經(jīng)開關(guān)電源模塊將AC220 V轉(zhuǎn)換為DC24 V,為PLC控制器、傳感器等低壓控制元件供電。

2.2 智能升級型供電系統(tǒng)優(yōu)化

升級版自動研磨機器人采用混合供電架構(gòu),在核心研磨作業(yè)時仍需接入AC380V工業(yè)電源以滿足大功率需求(峰值功率10~22 kw)。其創(chuàng)新性體現(xiàn)在雙模供電設(shè)計:工業(yè)電源模式下,系統(tǒng)優(yōu)先使用電網(wǎng)供電;在移動建圖、轉(zhuǎn)場等輔助作業(yè)時(功率需求≤3kw),可采用內(nèi)置鋰電池組逆變供電。電池系統(tǒng)通過內(nèi)置純正弦波逆變器輸出AC220 V(THD≤3%),確保伺服系統(tǒng)、導航模塊等關(guān)鍵部件的穩(wěn)定運行。這種設(shè)計使設(shè)備擺脫了電纜束縛,作業(yè)半徑擴大至500~1000m,顯著提升了施工靈活性。

2.3 多電源供電的潛在風險分析

在工業(yè)設(shè)備的多電源供電系統(tǒng)中,主要存在兩類電氣安全隱患。

首先是220 V級交流電源并聯(lián)風險。當研磨機同時接入市電(AC200 V)和電池逆變輸出(AC220 V)時,盡管兩路電源的電壓有效值和頻率同,U=220×(1±10%)V,f=(50±0.5)Hz,但由于相位差Δφ的存在(0°≤Δφ≤180°),特別是在Δφ≈180O的極端情況下,將產(chǎn)生超大短路電流。這種異常電流將導致設(shè)備損壞,甚至引發(fā)電氣火災[3]。

其次是直流電源并聯(lián)風險。雖然理論上相同標稱電壓(DC48 V)的電源可以并聯(lián),但實際運行中存在顯著差異。鋰電池輸出電壓隨SOC變化呈現(xiàn)54V(SOC=100%)至42 V(SOC=20%)的動態(tài)范圍,而開關(guān)電源輸出保持48×(1±1%)V的穩(wěn)定電壓。當電壓差ΔU達到最大值6 V時,在典型內(nèi)阻0.3 Ω條件下可產(chǎn)生20 A的環(huán)流,導致系統(tǒng)效率下降,并在局部產(chǎn)生80~120℃的異常溫升,存在嚴重的安全隱患。

2.4續(xù)電系統(tǒng)的技術(shù)要求

地坪研磨機續(xù)電系統(tǒng)的技術(shù)要求涉及多重電源管理策略,需要確保系統(tǒng)在工業(yè)用電和電池供電模式下的安全可靠運行。該系統(tǒng)必須滿足以下技術(shù)要求:

1)在交流電源管理方面,系統(tǒng)需有效隔離工業(yè)用電(AC380 V)與電池逆變輸出(AC220 V),通過機械互鎖裝置實現(xiàn)安全切換,防止因相位差導致的短路事故。

2)在直流電源管理方面,需采用二極管隔離方案,避免開關(guān)電源輸出(DC48V)與鋰電池(42~54V)之間的電壓差引發(fā)環(huán)流問題。

3)系統(tǒng)應支持雙供電模式獨立運行,在單一電源接入時確保設(shè)備正常啟動和底盤移動功能。

4)電源切換過程中須保證工控機持續(xù)供電,維持與移動終端APP的通信連接不中斷。

5)系統(tǒng)需集成智能充電管理模塊,在接入工業(yè)電源時自動啟動鋰電池充電程序,并具備SOC精確估算和溫度監(jiān)控功能,實現(xiàn)電池的智能化維護。

3續(xù)電系統(tǒng)設(shè)計

依據(jù)地坪研磨機的供電技術(shù)要求,本研究設(shè)計了一套能夠適配交流式移動底盤研磨機的續(xù)電系統(tǒng),其原理如圖2所示。

3.1 關(guān)鍵部件選型規(guī)范

交流負載模塊(MAC)選用交流伺服驅(qū)動系統(tǒng),

該方案相比直流伺服系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢:成本降低約20%,供貨周期縮短約20%。

電源切換裝置(TS)采用機械式轉(zhuǎn)換開關(guān),其機械互鎖結(jié)構(gòu)確保工業(yè)電源 (AC380V)與逆變電源(AC220 V)的物理隔離。

相序保護繼電器(PT)選用智能型產(chǎn)品,具備相序檢測 (精度 ± 1°)、缺相保護和 電壓監(jiān)測 (范圍300~450 V)功能,其雙觸點設(shè)計(1NO+1NC)實現(xiàn)了電池電源模式與電池充電模式的自動聯(lián)鎖控制。

純正弦波逆變器(UI)轉(zhuǎn)換效率≥90%,滿足設(shè)備動態(tài)負載需求。

三段式智能充電器(UR1)采用恒流(0.2C)-恒壓(54.6 V)-浮充(53.5 V)的充電算法,溫度補償范圍-20~60℃,充電效率≥92%。

開關(guān)電源(UR2)輸出DC48×(1±1%)V,功率因數(shù)≥0.95,具有過壓、過流多重保護。

儲能單元選用磷酸鐵鋰電池組(GB),標稱電壓48 V,容量≥100 Ah,配備智能BMS系統(tǒng),支持CAN總線通信,可實時監(jiān)測SOC(精度±3%)和溫度等參數(shù)[4]。

防逆流二極管(VD)采用肖特基二極管陣列,正向壓降≤0.5 V,反向耐壓≥100 V,配合強制風冷散熱(溫升≤30 K)。

直流負載模塊(MDC)包含工控機、激光雷達等設(shè)備,通過DC/DC轉(zhuǎn)換器獲得穩(wěn)定的24 V電源,紋波系數(shù)≤1%,滿足精密電子設(shè)備的供電需求。

3.2電池智能充電系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)采用雙模式充電架構(gòu),當設(shè)備接入AC380V工業(yè)電源時,相序保護繼電器(PT)實時監(jiān)測三相電源狀態(tài)(電壓波動范圍±10%,相序容差±5O),在確認電源參數(shù)正常后,其控制觸點動作時序為:首先斷開逆變器控制繼電器(KA,動作時間≤20 ms),隨后閉合充電回路接觸器(KM,接觸電阻≤50 mΩ)。該互鎖設(shè)計能確保充電過程中逆變器處于斷電狀態(tài),避免能量回饋干擾。充電過程采用三段式智能算法:恒流階段(0.5C)快速補充80%容量,恒壓階段(54.6±0.5)V精細充電至95%,浮充階段(53.5±0.2)V維持電池飽和狀態(tài)。

為應對特殊工況,系統(tǒng)配置了應急充電接口:采用三角標準插座,允許通過民用AC220 V電源(電壓范圍180~250 V)進行臨時充電。該接口具備反接保護(耐受電壓600V)和過流保護(響應時間≤100 μs),確保在非標電源條件下的充電安全。

3.3 無電池啟動機制設(shè)計

傳統(tǒng)電源檢測方案采用嚴格的時序控制邏輯:首先依賴電池供電啟動檢測電路,待相序繼電器(響應時間≤50 ms)確認三相電源參數(shù)(電壓容差±5%,頻率偏差± 1 Hz)符合IEC 60038標準后,方能接通主交流接觸器(接觸電阻≤30 mΩ)。該方案雖能確保電源質(zhì)量,但存在嚴重依賴電池的缺陷,即當電池耗盡或BMS故障時,設(shè)備將完全喪失移動能力。

本研究提出的改進方案采用雙路徑供電架構(gòu):主電路省略相序檢測環(huán)節(jié),通過功率器件直連(導通損耗≤0.5%)實現(xiàn)AC380 V市電或逆變電源的無縫接入。關(guān)鍵創(chuàng)新點包括:1)采用寬輸入范圍設(shè)計(電壓300~450 V,頻率45~65 Hz),兼容非理想電網(wǎng)條件;2)配置多級保護電路:變頻器過壓保護 [閾值(460±5)V]、驅(qū)動器過流保護(響應時間≤10μs)、開關(guān)電源浪涌抑制(8/20 μs波形耐受6 kV)。

實測數(shù)據(jù)表明,該方案使設(shè)備平均故障間隔時間(MTBF)大幅提升,緊急工況下的設(shè)備可用性達到95%。同時,維護成本降低,主要得益于:1)消除電池依賴導致的停機損失;2)減少電源檢測環(huán)節(jié)的故障點;3)簡化現(xiàn)場操作流程。

3.4研磨機續(xù)電系統(tǒng)操作的便捷性

3.4.1典型工況劃分

根據(jù)施工工藝流程,將研磨機作業(yè)周期劃分為四個標準工況:設(shè)備轉(zhuǎn)場運輸、作業(yè)環(huán)境掃描、地面研磨施工和設(shè)備返場維護。系統(tǒng)初始狀態(tài)設(shè)置為:電源轉(zhuǎn)換開關(guān)TS預設(shè)于逆變電源檔位,主電源開關(guān)SA處于斷開狀態(tài)。

3.4.2移動工況操作規(guī)范

在轉(zhuǎn)場運輸階段,操作人員僅需將SA開關(guān)切換至ON檔位即可激活系統(tǒng)供電。通過內(nèi)置wi-Fi模塊建立的無線通信鏈路,操作人員可遠程控制磨盤提升機構(gòu)及底盤驅(qū)動系統(tǒng),實現(xiàn)設(shè)備的場地轉(zhuǎn)移或運輸裝載。

3.4.3測繪工況供電策略

環(huán)境掃描階段采用3D激光雷達進行空間特征采集,通過SLAM算法實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的三維重建。此階段因磨盤機構(gòu)未啟動,系統(tǒng)維持電池供電模式,避免工業(yè)電源接入的冗余操作。

3.4.4研磨工況電源切換

進入研磨階段時,操作人員需接入三相五線制工業(yè)電源[AC380×(1±10%)V,電纜截面積10 mm²]。

需要特別說明的是,在電源轉(zhuǎn)換開關(guān)(TS)進行電池逆變檔至市電檔切換過程中,系統(tǒng)存在理論上的供電中斷風險。這一過渡期可能導致機器控制系統(tǒng)發(fā)生非計劃性斷電重啟事件,具體表現(xiàn)為:工控機與無線通信模塊(路由器)的強制關(guān)機,其重啟過程將造成移動終端APP與控制主機的通信鏈路中斷。實測數(shù)據(jù)顯示,此類系統(tǒng)重啟過程耗時范圍為10~60 s,不僅顯著延長了作業(yè)等待時間,更導致操作人員需重復執(zhí)行設(shè)備重連操作,嚴重影響了人機交互效率。

為解決該技術(shù)瓶頸,本系統(tǒng)創(chuàng)新性地采用雙路冗余供電架構(gòu):通過電池組輸出DC48 V電源,經(jīng)高效開關(guān)電源模塊(轉(zhuǎn)換效率≥92%)降壓至DC24 V,專用于維持工控系統(tǒng)及網(wǎng)絡設(shè)備的持續(xù)供電。該設(shè)計方案成功實現(xiàn)了電源切換過程中關(guān)鍵控制單元的不間斷運行。

3.4.5系統(tǒng)復位流程

作業(yè)完成后執(zhí)行標準化斷電程序:1)斷開工業(yè)電源連接器;2)切換TS開關(guān)至逆變檔位;3)通過SA開關(guān)執(zhí)行系統(tǒng)關(guān)機。

3.4.6人機交互設(shè)計

該續(xù)電系統(tǒng)通過優(yōu)化人機交互設(shè)計顯著提升了操作便捷性,其實物圖如圖3所示。

系統(tǒng)采用兩級開關(guān)控制架構(gòu):主電源開關(guān)SA負責系統(tǒng)啟?？刂?電源轉(zhuǎn)換開關(guān)TS實現(xiàn)供電模式切換。在標準作業(yè)流程中,操作人員僅需執(zhí)行三個基礎(chǔ)操作:1)通過SA開關(guān)完成系統(tǒng)啟停;2)保持TS開關(guān)默認處于逆變電源模式;3)在研磨工況或電池欠壓時切換至市電模式。這種設(shè)計將必要操作步驟精簡至最低限度,同時確保了系統(tǒng)在不同工況下的供電可靠性。

4 結(jié)束語

本文所述續(xù)電系統(tǒng)的設(shè)計創(chuàng)新源于交流式移動底盤的地坪研磨機器人實際工程需求。通過原型機驗證測試(累計運行時長≥500 h),系統(tǒng)各項性能指標均達到設(shè)計要求。更值得注意的是,該系統(tǒng)的模塊化設(shè)計理念使其具有良好的可擴展性,經(jīng)適應性改造后,可廣泛應用于砂漿噴涂機器人、混凝土抹平機器人等各類建筑機器人平臺。這一特性顯著提升了研究成果的工程應用價值,為建筑機器人供電系統(tǒng)的標準化設(shè)計提供了重要參考[5]。

[參考文獻]

[1] 馮強,葉長汀.全 自動地坪拋光研磨機[J].石材,2016(9):45-46.

[2]廣東博智林機器人有限公司.供電系統(tǒng)及其控制方法:CN119906129A[P].2025-04-29.

[3]吳昊,韓浩江,柴俊,等.基于變電站開關(guān)柜的三相交流電相位核序方法[J].電氣應用,2021,40(7):86-92.

[4] 李田豐,易映萍,石偉.新能源汽車48V電池管理系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2019,42(8):6-11.

[5] 于軍琪,曹建福,雷小康.建筑機器人研究現(xiàn)狀與展望[J].自動化博覽,2016(8):68-75.

《機電信息》2025年第19期第14篇